Технологија паковања је један од најважнијих процеса у индустрији полупроводника. Према облику пакета, може се поделити на пакет утичница, пакет за површинску монтажу, БГА пакет, пакет величине чипа (ЦСП), пакет модула са једним чипом (СЦМ, размак између ожичења на штампаној плочи (ПЦБ) и плочице на плочи са интегрисаним колом (ИЦ), пакет модула са више чипова (МЦМ, који може да интегрише хетерогене чипове), пакет на нивоу плочице (ВЛП, укључујући вентилатор Пакет нивоа вафера (ФОВЛП), компоненте за микро површинску монтажу (мицроСМД), итд.), тродимензионални пакет (микро бумп интерконект пакет, ТСВ интерконект пакет итд.), системски пакет (СИП), систем чипова (СОЦ).
Облици 3Д паковања су углавном подељени у три категорије: укопани тип (сахрањивање уређаја у вишеслојно ожичење или укопан у подлогу), активни тип подлоге (интеграција силицијумске плочице: прво интегришите компоненте и подлогу плочице да бисте формирали активни супстрат затим распоредите вишеслојне линије за повезивање и саставите друге чипове или компоненте на горњи слој) и наслагани тип (силицијум); облатне наслагане силицијумским плочицама, чипс наслагани силицијумским плочицама и чипс наслагани чиповима).
Методе 3Д међусобног повезивања укључују спајање жице (ВБ), флип чип (ФЦ), преко силицијума (ТСВ), филмски проводник итд.
ТСВ остварује вертикалну интерконекцију између чипова. Пошто вертикални вод има најкраћу удаљеност и већу чврстоћу, лакше је реализовати минијатуризацију, велику густину, високе перформансе и мултифункционално паковање хетерогене структуре. Истовремено, може и међусобно повезати чипове од различитих материјала;
тренутно постоје две врсте технологија производње микроелектронике које користе ТСВ процес: тродимензионално паковање кола (3Д ИЦ интеграција) и тродимензионално силиконско паковање (3Д Си интеграција).
Разлика између ова два облика је у томе што:
(1) Паковање 3Д кола захтева да електроде чипа буду припремљене у избочине, а избочине су међусобно повезане (спојене спајањем, фузијом, заваривањем, итд.), док је 3Д силиконска амбалажа директна међувеза између чипова (везивање између оксида и Цу -Цу везивање).
(2) Технологија интеграције 3Д кола може се постићи повезивањем између плочица (3Д паковање кола, 3Д силицијумско паковање), док се спајање чипа на чип и везивање чипа на плочицу може постићи само паковањем 3Д кола.
(3) Постоје празнине између чипова интегрисаних процесом паковања 3Д кола, а диелектрични материјали морају бити попуњени да би се подесила топлотна проводљивост и коефицијент топлотног ширења система како би се осигурала стабилност механичких и електричних својстава система; не постоје празнине између чипова интегрисаних 3Д процесом силиконског паковања, а потрошња енергије, запремина и тежина чипа су мали, а електричне перформансе су одличне.
ТСВ процес може конструисати вертикалну путању сигнала кроз супстрат и повезати РДЛ на врху и дну подлоге да би се формирала тродимензионална путања проводника. Стога је ТСВ процес један од важних камена темељаца за конструисање тродимензионалне структуре пасивног уређаја.
Према редоследу између предњег краја линије (ФЕОЛ) и задњег краја линије (БЕОЛ), ТСВ процес се може поделити на три главна производна процеса, наиме, преко првог (ВиаФирст), преко средњег (Виа Миддле) и преко последњег (Виа Ласт) процеса, као што је приказано на слици.
1. Процесом гравирања
Процес гравирања је кључ за производњу ТСВ структуре. Избор одговарајућег процеса гравирања може ефикасно побољшати механичку чврстоћу и електрична својства ТСВ-а, а даље се односи на укупну поузданост ТСВ тродимензионалних уређаја.
Тренутно постоје четири главна главна струја ТСВ путем процеса јеткања: дубоко реактивно јонско јеткање (ДРИЕ), мокро нагризање, фото-потпомогнуто електрохемијско јеткање (ПАЕЦЕ) и ласерско бушење.
(1) Дубоко реактивно јонско гравирање (ДРИЕ)
Дубоко реактивно јонско јеткање, такође познато као ДРИЕ процес, је најчешће коришћени процес ТСВ јеткања, који се углавном користи за реализацију ТСВ преко структура са високим односом ширине и висине. Традиционални процеси јеткања плазмом генерално могу постићи само дубину јеткања од неколико микрона, са ниском стопом јеткања и недостатком селективности маске за гравирање. Босцх је направио одговарајућа побољшања процеса на овој основи. Коришћењем СФ6 као реактивног гаса и испуштањем гаса Ц4Ф8 током процеса нагризања као пасивне заштите за бочне зидове, побољшани ДРИЕ процес је погодан за нагризање отвора са високим односом ширине и висине. Због тога се назива и Босцх процес по свом проналазачу.
Слика испод је фотографија високог односа ширине и висине преко формиране гравирањем ДРИЕ процеса.
Иако се ДРИЕ процес широко користи у ТСВ процесу због његове добре контроле, његов недостатак је што је бочна плоснатост лоша и формирају се дефекти бора у облику капице. Овај недостатак је значајнији када се гравирају пропусници са високим односом ширине и висине.
(2) Мокро гравирање
Влажно гравирање користи комбинацију маске и хемијског гравирања за урезивање рупа. Најчешће коришћени раствор за јеткање је КОХ, који може да угризе позиције на силицијумској подлози које нису заштићене маском, чиме се формира жељена структура кроз рупе. Влажно гравирање је најранији развијен процес гравирања кроз рупе. Пошто су његови процесни кораци и потребна опрема релативно једноставни, погодан је за масовну производњу ТСВ по ниској цени. Међутим, његов механизам хемијског јеткања одређује да ће на пролазну рупу формирану овом методом утицати кристална оријентација силицијумске плочице, чинећи угравирану пролазну рупу невертикалном, али показујући јасан феномен широког врха и уског дна. Овај недостатак ограничава примену влажног гравирања у производњи ТСВ-а.
(3) Фото-потпомогнуто електрохемијско гравирање (ПАЕЦЕ)
Основни принцип фото-потпомогнутог електрохемијског јеткања (ПАЕЦЕ) је коришћење ултраљубичастог светла за убрзање стварања парова електрон-рупа, чиме се убрзава процес електрохемијског нагризања. У поређењу са широко коришћеним ДРИЕ процесом, ПАЕЦЕ процес је погоднији за гравирање ултра-великих структура кроз отворе веће од 100:1, али његов недостатак је што је контрола дубине нагризања слабија од ДРИЕ, а његова технологија може захтевају даља истраживања и унапређење процеса.
(4) Ласерско бушење
Разликује се од три горња метода. Метода ласерског бушења је чисто физичка метода. Углавном користи високоенергетско ласерско зрачење за топљење и испаравање материјала супстрата у одређеном подручју како би се физички реализовала конструкција ТСВ-а кроз рупу.
Пролазни отвор формиран ласерским бушењем има висок однос ширине и висине и бочни зид је у основи вертикални. Међутим, пошто ласерско бушење заправо користи локално загревање за формирање пролазне рупе, на зид рупе ТСВ-а ће негативно утицати топлотна оштећења и смањити поузданост.
2. Процес наношења слоја слоја
Још једна кључна технологија за производњу ТСВ-а је процес наношења слоја облоге.
Процес наношења слоја облоге се изводи након што је урезана рупа. Депоновани слој облоге је генерално оксид као што је СиО2. Слој облоге се налази између унутрашњег проводника ТСВ-а и подлоге, и углавном игра улогу изолације цурења једносмерне струје. Поред депоновања оксида, слојеви баријере и семена су такође потребни за пуњење проводника у следећем процесу.
Произведени слој облоге мора да испуњава следећа два основна захтева:
(1) пробојни напон изолационог слоја треба да задовољи стварне радне захтеве ТСВ-а;
(2) нанесени слојеви су веома конзистентни и имају добру адхезију један за други.
Следећа слика приказује фотографију слоја облоге депонованог плазмом побољшаним хемијским таложењем паре (ПЕЦВД).
Процес таложења треба да се прилагоди у складу са различитим производним процесима ТСВ. За предњи процес кроз рупу, процес депозиције на високој температури може се користити за побољшање квалитета оксидног слоја.
Типично високотемпературно таложење може се заснивати на тетраетил ортосиликату (ТЕОС) у комбинацији са процесом термалне оксидације да би се формирао високо конзистентан висококвалитетни СиО2 изолациони слој. За процес средњег и задњег пролаза кроз рупу, пошто је БЕОЛ процес завршен током таложења, потребна је нискотемпературна метода да би се осигурала компатибилност са БЕОЛ материјалима.
Под овим условом, температура таложења треба да буде ограничена на 450°, укључујући употребу ПЕЦВД за депоновање СиО2 или СиНк као изолационог слоја.
Друга уобичајена метода је употреба атомског слојног таложења (АЛД) за депоновање Ал2О3 да би се добио гушћи изолациони слој.
3. Процес пуњења метала
Процес пуњења ТСВ-а се спроводи одмах након процеса депозиције кошуљице, што је још једна кључна технологија која одређује квалитет ТСВ-а.
Материјали који се могу пунити укључују допирани полисилицијум, волфрам, угљеничне наноцеви, итд. у зависности од коришћеног процеса, али је и даље најчешћи бакар галвански, јер је његов процес зрео и његова електрична и топлотна проводљивост су релативно високе.
Према разлици у дистрибуцији брзине галванизације у пролазном отвору, може се углавном поделити на субконформне, конформне, суперконформне и методе галванизације одоздо према горе, као што је приказано на слици.
Субконформна галванизација се углавном користила у раној фази истраживања ТСВ-а. Као што је приказано на слици (а), Цу јони добијени електролизом концентрисани су на врху, док је дно недовољно допуњено, што узрокује да је стопа галванизације на врху пролазне рупе већа од оне испод врха. Због тога ће се врх пролазног отвора унапред затворити пре него што се потпуно попуни, а унутра ће се формирати велика празнина.
Шематски дијаграм и фотографија методе конформне галванизације приказани су на слици (б). Обезбеђивањем уједначеног додавања Цу јона, брзина галванизације на свакој позицији у пролазном отвору је у основи иста, тако да ће унутра остати само шав, а запремина празнине је много мања од оне код субконформне методе галванизације, тако да широко се користи.
Да би се даље постигао ефекат пуњења без празнина, предложена је метода суперконформне галванизације да би се оптимизовала метода конформне галванизације. Као што је приказано на слици (ц), контролисањем снабдевања Цу јонима, брзина пуњења на дну је нешто већа од оне на другим позицијама, чиме се оптимизује степен градијента брзине пуњења одоздо према горе како би се потпуно елиминисао леви шав конформном методом галванизације, тако да се постигне потпуно без шупљина метално бакарно пуњење.
Метода галванизације одоздо према горе може се сматрати посебним случајем суперконформне методе. У овом случају, брзина галванизације осим дна је потиснута на нулу, а само галванизација се постепено спроводи од дна ка врху. Поред предности конформне методе галванизације без шупљина, ова метода такође може ефикасно смањити укупно време галванизације, тако да је последњих година широко проучавана.
4. РДЛ процесна технологија
РДЛ процес је неопходна основна технологија у процесу тродимензионалног паковања. Кроз овај процес, металне интерконекције се могу произвести на обе стране подлоге да би се постигла сврха прерасподеле портова или међусобне везе између пакета. Стога се РДЛ процес широко користи у системима за паковање вентилатора у вентилатор или 2.5Д/3Д.
У процесу изградње тродимензионалних уређаја, РДЛ процес се обично користи за међусобно повезивање ТСВ-а да би се реализовале различите тродимензионалне структуре уређаја.
Тренутно постоје два главна РДЛ процеса. Први је заснован на фотоосетљивим полимерима и комбинован је са процесима галванизације и јеткања бакра; други је имплементиран коришћењем Цу Дамасцус процеса у комбинацији са ПЕЦВД и процесом хемијског механичког полирања (ЦМП).
Следеће ће представити главне процесне путање ова два РДЛ-а.
РДЛ процес заснован на фотоосетљивом полимеру приказан је на слици изнад.
Прво се ротацијом нанесе слој ПИ или БЦБ лепка на површину вафла, а након загревања и очвршћавања, поступком фотолитографије се отварају рупе на жељеној позицији, а затим се врши нагризање. Затим, након уклањања фоторезиста, Ти и Цу се распршују на плочицу кроз процес физичког таложења паре (ПВД) као слој баријере и слој семена, респективно. Затим, први слој РДЛ се производи на изложеном Ти/Цу слоју комбиновањем фотолитографије и процеса галванизације Цу, а затим се фоторезист уклања и вишак Ти и Цу се урезује. Поновите горе наведене кораке да бисте формирали вишеслојну РДЛ структуру. Овај метод се тренутно више користи у индустрији.
Други метод за производњу РДЛ углавном се заснива на процесу Цу Дамасцус, који комбинује ПЕЦВД и ЦМП процесе.
Разлика између ове методе и РДЛ процеса заснованог на фотоосетљивом полимеру је у томе што се у првом кораку производње сваког слоја ПЕЦВД користи за депоновање СиО2 или Си3Н4 као изолационог слоја, а затим се на изолационом слоју формира прозор фотолитографијом и реактивно јонско јеткање, и Ти/Цу баријера/слој семена и проводник бакра се прскају респективно, а затим се слој проводника разређује до потребна дебљина ЦМП поступком, односно формира се слој РДЛ или слој кроз рупе.
Следећа слика је шематски дијаграм и фотографија попречног пресека вишеслојног РДЛ конструисаног на основу процеса Цу Дамаск. Може се приметити да је ТСВ прво повезан са слојем кроз рупу В01, а затим наслаган одоздо према горе по редоследу РДЛ1, слојем кроз рупу В12 и РДЛ2.
Сваки слој РДЛ или слоја кроз рупу се производи у низу према горе наведеној методи.Пошто РДЛ процес захтева употребу ЦМП процеса, његова цена производње је већа од цене РДЛ процеса заснованог на фотоосетљивом полимеру, тако да је његова примена релативно ниска.
5. ИПД процесна технологија
За производњу тродимензионалних уређаја, поред директне интеграције на чипу на ММИЦ, ИПД процес пружа још један флексибилнији технички пут.
Интегрисани пасивни уређаји, такође познати као ИПД процес, интегришу било коју комбинацију пасивних уређаја, укључујући индукторе на чипу, кондензаторе, отпорнике, балун претвараче, итд. на засебној подлози како би формирали библиотеку пасивних уређаја у облику преносне плоче која може бити флексибилно позван према захтевима дизајна.
Пошто се у ИПД процесу, пасивни уређаји производе и директно интегришу на плочу за пренос, њихов ток процеса је једноставнији и јефтинији од интеграције ИЦ-а на чипу и може се унапред масовно производити као библиотека пасивних уређаја.
За производњу тродимензионалних пасивних уређаја ТСВ, ИПД може ефикасно да надокнади терет трошкова тродимензионалних процеса паковања укључујући ТСВ и РДЛ.
Поред предности у погледу трошкова, још једна предност ИПД-а је његова висока флексибилност. Једна од флексибилности ИПД-а огледа се у различитим методама интеграције, као што је приказано на слици испод. Поред две основне методе директне интеграције ИПД-а у супстрат паковања путем флип-цхип процеса као што је приказано на слици (а) или процеса везивања као што је приказано на слици (б), други слој ИПД-а се може интегрисати на један слој ИПД-а као што је приказано на сликама (ц)-(е) да би се постигао шири спектар комбинација пасивних уређаја.
У исто време, као што је приказано на слици (ф), ИПД се даље може користити као адаптерска плоча за директно закопавање интегрисаног чипа на њему да би се директно изградио систем за паковање високе густине.
Када се користи ИПД за прављење тродимензионалних пасивних уређаја, ТСВ процес и РДЛ процес се такође могу користити. Ток процеса је у основи исти као горе поменути метод обраде интеграције на чипу и неће се понављати; разлика је у томе што је предмет интеграције промењен са чипа на адаптерску плочу, нема потребе да се разматра утицај процеса тродимензионалног паковања на активну област и слој међусобног повезивања. Ово даље доводи до још једне кључне флексибилности ИПД-а: различити материјали супстрата могу се флексибилно бирати у складу са захтевима дизајна пасивних уређаја.
Материјали супстрата доступни за ИПД нису само уобичајени полупроводнички материјали супстрата као што су Си и ГаН, већ и Ал2О3 керамика, нискотемпературна/висока температура заједно печена керамика, стаклене подлоге, итд. Ова карактеристика ефикасно проширује флексибилност дизајна пасивних уређаји интегрисани од стране ИПД.
На пример, тродимензионална пасивна структура индуктора интегрисана од стране ИПД-а може користити стаклену подлогу за ефикасно побољшање перформанси индуктора. За разлику од концепта ТСВ-а, отворе направљене на стакленој подлози називају се и пролазне отворе за стакло (ТГВ). Фотографија тродимензионалног индуктора произведеног на основу ИПД и ТГВ процеса приказана је на слици испод. Пошто је отпорност стаклене подлоге много већа од отпорности конвенционалних полупроводничких материјала као што је Си, тродимензионални индуктор ТГВ има боља изолациона својства, а губитак уметања узрокован паразитским ефектом супстрата на високим фреквенцијама је много мањи него код конвенционални ТСВ тродимензионални индуктор.
С друге стране, кондензатори метал-изолатор-метал (МИМ) се такође могу произвести на стакленој подлози ИПД кроз процес таложења танког филма и међусобно повезати са тродимензионалним индуктором ТГВ да би се формирала тродимензионална пасивна структура филтера. Стога, ИПД процес има широк потенцијал примене за развој нових тродимензионалних пасивних уређаја.
Време поста: 12.11.2024